DETERMINACIN DE DENSIDAD APARENTE EN AGLOMERADO

DETERMINACIÓN DE DENSIDAD APARENTE EN AGLOMERADO AISLANTE
Flores, Hugo; Frabotta, Daniela; Retamar, Juan Carlos;
Orué, Silvio; Belis, Eliana; Schneider, Alfredo
Facultad de Ingeniería Química – U. N. L.
hflores@fiq.unl.edu.ar
RESUMEN
Las curtiembres son industrias de alto impacto económico (por la cantidad de
recursos que moviliza), social (por la mano de obra ocupada) y ambiental (por los
desechos sólidos, líquidos y gaseosos generados). Dentro de los residuos sólidos
producidos, ocupa un lugar importante las virutas de cuero, debido a su composición
química.
Para valorizar las mismas, se proyecta la elaboración de un aglomerado para ser
utilizado como aislante térmico. A fin de caracterizar su aptitud para tal fin, se debe
medir sus propiedades físicas, como conductividad térmica, resistencia a la tracción,
deformación, densidad aparente, etc.
El presente trabajo presenta el desarrollo y puesta a punto de un método seguro y
rápido para determinar la densidad aparente de dicho material, indicando
fundamento teórico, metodología de operación, resultados obtenidos y conclusiones
1. INTRODUCCIÓN:
La industria de la curtición es considerada de alto impacto, tanto por los recursos
económicos que moviliza, como por la mano de obra que ocupa y los residuos que
genera.
Al respecto, cabe mencionar, entre otros aspectos, que la participación argentina en
el mercado global de cueros es de un 11%. Además se generan 14.000 puestos de
trabajo en forma directa y 50.000 en forma indirecta. También, es considerable la
cantidad de residuos que produce, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos. Como
ejemplo, mencionaremos que el rendimiento del proceso de curtido es un 50%, y el
resto se elimina como deshecho. Una curtiembre promedio procesa cinco mil pieles
por día, con un peso promedio de 24 kg cada una, lo que resulta en una generación
de 60.000 kilos diarios de residuos.
Dentro de los desechos sólidos producido, ocupan un lugar preponderante las
virutas generadas en las máquinas de rebajado, las que tienen como objetivo igualar
el espesor de los cueros (plena flor, que es considerada una imposición importante
en el valor comercial del producto).
Estos residuos tienen un alto contenido de humedad (55 a 60%), y están compuesto
por el complejo colágeno – cromo (aproximadamente un 5%, expresado como
Cr2O3), lo que le confiere un carácter altamente tóxico. Debido a ello, son dispuestas
con cargo en reservorios especiales.
1
La magnitud de este problema se puede apreciar teniendo en cuenta que las virutas
representan un 26% de la totalidad de residuos generados, lo que equivale a 15.600
kilos por día, para la producción tomada como base para el ejemplo (5.000 cueros
por día).
Como una tecnología alternativa para dar solución a este problema ambiental, se
plantea el proyecto “Valorización de Virutas de Wet Blue – Aislante Térmico y
Recuperación de Péptidos”, el que propone fabricar un aglomerado para ser usado
como aislante térmico, aprovechando la baja conductividad térmica del cuero y el
poder adhesivo de la “cola” generada a partir de la hidrólisis de las virutas.
Para evaluar la aptitud de dicho producto para el fin propuesto, es necesario
caracterizarlo, determinando aquellas propiedades físicas que lo definen como buen
aislante. Entre ellas se destacan la conductividad térmica y resistencia a la tracción.
Dichas propiedades son afectadas por la cantidad de aire ocluido en el material, y
una medida del mismo es la densidad aparente. Esta característica adquiere
importancia en la evaluación de la aptitud mecánica del material. Refiere a la
cantidad de masa contenida en un determinado volumen y no es una propiedad
intrínseca del material, sino que depende del proceso de elaboración. La presencia
de huecos con aire ocluido, lleva a una menor conductividad térmica, índice de una
mayor aptitud como aislante, pero, por otro lado, reduce la resistencia mecánica del
material.
Ante la necesidad de evaluar rápida y seguramente esta propiedad, se evaluaron
distintas técnicas de medición, y se eligió la basada en el Principio de Arquímedes.
El presente trabajo apunta a evaluar la confiabilidad del mismo, en términos de
precisión (repetitividad y reproducibilidad) y exactitud de las medidas.
2. OBJETIVOS:
2.1. Generales:
Determinar la confiabilidad de un método rápido para medir la densidad aparente de
un aglomerado utilizado como aislante térmico.
2.2. Particulares:
•
Estimar la precisión del método a través de la evaluación de la repetitividad y
reproducibilidad de las medidas.
•
Determinar la exactitud del proceso de medición.
2
3. MATERIALES Y MÉTODOS
3.1. Marco Teórico:
En la práctica, la mayoría de los materiales que empleamos como aislantes no son
sustancias homogéneas o puras. En particular, para el aglomerado fabricado, debe
considerarse una conductividad térmica aparente, originada por su falta de
homogeneidad debido a su estructura porosa. La misma se debe a la presencia de
aire ocluido en la misma, lo que disminuye el valor de esta propiedad y mejora su
aptitud para su utilización como material aislante.
Por ello, es muy importante determinar la densidad aparente del material. Dicha
magnitud se refiere a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen y
es aplicada en materiales porosos, los cuales forman cuerpos heterogéneos con
rendijas de aire u otra sustancia normalmente más ligera, de forma que la densidad
total del cuerpo es menor que la densidad del material poroso si se compactase, por
lo que la misma no es una propiedad intrínseca del material sino que depende de su
compactación.
Debido a lo expuesto en el párrafo precedente (relación directa entre conductividad y
densidad aparente), y porque la ligereza del material suele estar producida por
huecos en su interior ocupados por aire, es de esperar que sea más aislante que el
material compactado.
La densidad aparente se define entonces como la relación entre el peso y el
volumen de una masa determinada que ocupan las partículas de ese material
incluidos todos los poros (saturables y no saturables), y se puede definir por la
siguiente expresión:
ρap = m / V (1)
ρap: densidad aparente [kg/m3]
m: masa de la muestra
V: volumen de la muestra
Por lo tanto, para determinar la densidad aparente, es necesario conocer
exactamente la masa y el volumen del material. Mediante una evaluación previa,
presentada en una trabajo previo de divulgación, se seleccionó entre dos
alternativas un método adecuado y rápido para evaluara esas propiedades,
optándose por el basado en el principio de Arquímedes, debido a la practicidad,
sencillez y rapidez del mismo, como así también de determinar el volumen cuando el
material a evaluar no poseía una forma regular, como ser cilindro o paralelepípedo.
Según dicha ley, “todo cuerpo sumergido en un líquido, recibe un empuje de abajo
hacia arriba igual al peso del líquido desalojado”. Sin embargo, surgen aquí algunos
inconvenientes: el primero de ellos, que el material tiene una densidad menor que la
del agua, por lo que no se sumerge en la misma; la segunda, la estructura porosa
3
permite la difusión del líquido entre los poros, lo que provoca un error en la
determinación.
Esto llevó a realizar algunas modificaciones en la técnica original; la primera de ellas
consistió en colocar un sobrepeso (que debe estar debidamente tarado) en la
muestra a fin de que se sumerja en el agua; la segunda es impermeabilizar el
material, a fin de impedir la difusión de líquido al interior del mismo a través de los
poros. Se eligió parafina derretida para esta operación.
A continuación se detallan las ecuaciones utilizadas para el cálculo de la densidad
aparente
La densidad aparente se calcula a partir de las siguientes ecuaciones:
(2)
(3)
(4)
(5)
Donde:
Una vez seleccionado dicho método, se debe evaluar la confiabilidad de las medidas
obtenidas a través de él, determinando la precisión y exactitud del mismo, ya que no
existen resultados cuantitativos válidos si no van acompañados de una estimación
de los errores inherentes a ellos.
4
Los errores asociados a las mediciones experimentales se distinguen en aleatorios y
sistemáticos. Los primeros afecta la precisión, y los segundos, la exactitud del
ensayo.
Respecto a la precisión, se debe distinguir entre la repetitividad y la reproducibilidad
de las mediciones. El primer término se refiere a la concordancia entre resultados
sucesivos de mediciones efectuadas bajo las mismas condiciones de operación,
mientras que el segundo expresa la correspondencia entre determinaciones llevadas
a cabo en diferentes condiciones experimentales.
Para evaluar la repetitividad se realizaron distintas determinaciones de la misma
muestra el mismo día, se calculó la media aritmética y la desviación estándar. Esta
técnica se repitió en distintos días, con diferentes condiciones de operación,
obteniendo nuevamente un valor promedio y la desviación estándar (según fórmula
6), determinando la reproducibilidad.
2
n
S=
∑(X
i =1
i
− X)
(6)
(n − 1)
S: desviación estándar
X i : valores de la variable determinada experimentalmente
X : media aritmética de los valores de la variable
n: número de determinaciones experimentales
Una vez evaluada la precisión del método, es necesario conocer cual es la exactitud
del mismo, a fin de determinar los errores sistemáticos que se comete. Para ello, se
realizan diversas mediciones de un material cuya densidad aparente se conoce, con
la misma mecánica de los ensayos anteriores.
Para evaluar el error cometido, se utilizó la expresión (7)
n
E=
∑(X i −V )
i =1
(n − 1)
2
(7)
E: error absoluto
V : valor aceptado como correcto
3.2. Metodología de Operación:
3.2.1. Equipamiento y materiales:
El equipamiento y dispositivos de medición son sencillos. Se utilizada una balanza
calibrada, la que debe estar equipada con un aparato apropiado para suspender el
recipiente de la muestra en agua desde el centro de la plataforma de la balanza.
5
El recipiente consiste en un vaso de precipitado de dimensiones tales que permita
colocar el material dentro de el. Otros materiales auxiliares utilizados son un hilo de
cobre y parafina derretida.
Con respecto al material a ensayar, para las determinaciones de precisión se utilizó
el material aglomerado, con una relación aglomerante / viruta 1 : 1.
En cuanto a la evaluación de exactitud, se efectuaron mediciones con un material de
densidad aparente conocida (cartón), cuyo valor, extraído de bibliografía, se
encuentra en el orden del valor estimado para esta propiedad en el material
desarrollado (aglomerado de virutas de cuero).
3.2.2. Técnica Operatoria:
Se desarrolló de acuerdo a las siguientes etapas:
1. Fabricación del material aglomerado: se lleva a cabo por un procedimiento
estandarizado, utilizando la relación viruta-adhesivo mencionada.
2. Preparación de la muestra: se toma un trozo representativo del material, le
practica un pequeño orificio y lo seca en estufa.
3. Tara de la muestra: se obtiene el peso seco del material con una balanza de
precisión.
4. Acondicionamiento del material:
Se fija la muestra con alambre fino de cobre a través del orificio y se vuelve a
pesar (muestra-alambre) para calcular el peso del mismo por diferencia (Pal).
En un recipiente se derrite parafina y mantiene su temperatura levemente
superior a la de fusión.
Se sumerge la muestra en parafina a fines de impermeabilizarla
5. Pesada del conjunto muestra-parafina-hilo para obtener por diferencia la
masa de parafina agregada (Pf)
6. Agregado de un lastre (previamente tarado) y pesada de todo el conjunto
muestra-parafina-hilo-lastre (Pairec), según se muestra en la figura 1
P
7. Inmersión de todo el conjunto en un vaso de precipitado lleno de agua y se
pesa nuevamente, obteniendo el valor del sistema sumergido (PsumC), según
se muestra en la figura 2).
P
6
Figura Nº 1: Esquema agregado de lastre
Figura Nº 2: Esquema pesada final
7
4. RESULTADOS OBTENIDOS
Tabla nº 1: Ensayos de repetitividad (aglomerado aislante)
Experiencia Nº
1
2
3
4
5
Valores obtenidos
0,763325107
0,763743103
0,759155926
0,760354718
0,761452163
0,761461719
0,761318391
0,759364966
0,759783393
0,760311839
0,758065085
0,758856818
0,757426268
0,758221404
0,757086005
0,757979847
0,761801145
0,755539781
0,758771402
0,760597791
0,756882939
0,756925432
0,756939598
0,756930154
0,756944320
Media aritmética
Desviación
estándar
0,76160620
0,001943886
0,76044806
0,000924448
0,75793112
0,000694302
0,75893799
0,002421064
0,75692449
2,43973E-05
Tabla nº 2: Ensayos de reproducibilidad (aglomerado aislante)
Experiencia Nº
1
2
3
4
5
Valor medio de
cada experiencia
0,76160620
0,76044806
0,75793112
0,75893799
0,75692449
Valor promedio
Desviación
estándar
0,759169573
0,001884112
8
Tabla nº 3: Ensayos de repetitividad (cartón)
Experiencia Nº
1
2
3
4
5
Valores obtenidos
0,716965669
0,724618234
0,719914547
0,723009661
0,722969031
0,722867474
0,723131581
0,723701082
0,723741795
0,722684744
0,723558623
0,723863962
0,724577422
0,722319560
0,724434618
0,723925060
0,723762153
0,722502106
0,723273872
0,722116840
0,722948717
0,723823235
0,724659050
0,725680953
0,724699871
Media aritmética
Desviación
estándar
0,72149543
0,003050993
0,72322534
0,000480146
0,72375084
0,000480146
0,72311601
0,000786162
0,72436237
0,001028308
Tabla nº 4: Ensayos de reproducibilidad (cartón)
Experiencia Nº
1
2
3
4
5
Valor medio de
cada experiencia
0,72149543
0,72322534
0,72375084
0,72311601
0,72436237
Valor promedio
Desviación
estándar
0,723189994
0,001068559
9
Tabla nº 5: Ensayos de evaluación de error (cartón)
Valor aceptado como correcto: 0.6972 g/cm3
Experiencia Nº
1
2
3
4
5
Valor medio de
cada experiencia
g/cm3
0,72149543
0,72322534
0,72375084
0,72311601
0,72436237
Valor promedio
Error
0,72319
0.02599
5. CONCLUSIONES
1. Del análisis de la información recopilada en las tablas, se observa que las
desviaciones estándar obtenidas arrojan valores aceptables, por lo que se
concluye que la repetitividad y la reproducibilidad de los ensayos es
satisfactoria, tanto para el material ensayado (aglomerado aislante), como
para el testigo (cartón).
2. En relación la evaluación del error cometido, se encuentra que todos los
valores se encuentran por encima del aceptado como correcto, es decir se
comete un error sistemático en exceso, y el valor del mismo es en términos
absolutos 0,02599 (3,7 % relativo).
3. Considerando las condiciones en que se llevó a cabo el ensayo, se supone
que el error mencionado se produce porque la parafina derretida penetra
parcialmente en el interior del material en estudio, llenado el espacio en la
estructura porosa que normalmente debería llenar el aire, y por lo tanto se
obtiene un valor de peso mayor que el real, lo que da lugar al valor superior a
lo esperado.
4. Por lo tanto, y teniendo en cuenta lo expuesto, el método seleccionado para
determinar experimentalmente el valor de densidad aparente es adecuado. A
fin de solucionar el error determinado en exceso, se trabajará para eliminar o
minimizar el mismo, sustituyendo la parafina derretida por un material
hidrófugo más apropiado
10
6. BIBLIOGRAFÍA
Miller, J. C; Miller, J. N. (1993); “Estadística para Química Analítica”,
Ed. Addison – Wesley Iberoamerican S. A.
Helfgot, Aarón; (1979); “Ensayo de los materiales”; Ed. Kapelusz S. A.
Landrock, Arthur H.;(1985); “Adhesives technology handbook”, Ed.
Noyes, New Jersey.
Norma IRAM Nº 1737; “Materiales aislantes térmicos. Plásticos celulares.
Determinación de la densidad aparente”
Norma 8530; “Cueros. Ensayos Físicos. Determinación de la densidad aparente”
Perry, R.; Chilton, C. (1982); “Manual del Ingeniero Químico”, Ed. McGraw-Hill
Latinoamericana S.A., Bogotá - Colombia.
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